基于电磁阻尼器的斜拉索自供能半主动控制研究

斜拉桥拉索在风（雨）荷载与支座激励作用下极容易发生大幅振动而威胁桥梁的安全，因而斜拉索的减振控制是斜拉桥设计与建造的关键问题之一。近年，我国兴建了多座千米级跨径斜拉桥，并且跨度还有继续增长的趋势，然而传统的减振技术为超长斜拉索提供的模态阻尼比有限。本项目从理论、数值分析与足尺实验三个方面系统研究了基于新型电磁阻尼器的斜拉索减振控制问题。主要研究成果包括：（1）建立了电磁惯性质量阻尼器（EIMD）的非线性本构模型和能量收集效率理论模型；（2）推导了考虑随机激励下斜拉索电磁阻尼器输出功率的理论公式；（3）提出了考虑惯质效应的斜拉索阻尼器最优参数分析方法；（4）进行了基于EIMD的斜拉索缩尺和足尺减振实验，实现了比传统粘滞阻尼减振技术高165%的减振控制效果；（5）首次提出了利用电磁阻尼器回收斜拉索的振动能量，并可给半主动阻尼器供电。本项目的研究成果为自供能半主动控制提供了理论基础与数据支撑。基于EIMD的斜拉索振动控制技术利用惯质效应极大地提升了斜拉索的减振效率。本项目实现了重要的技术突破，为千米级跨径斜拉桥拉索的减振控制提供了新的方法，具有广阔的工程应用前景。通过项目研究发表了8篇学术论文，其中国际一流SCI期刊论文6篇，并多次被他引。项目研究成果获得了2018年湖北省技术发明二等奖和香港第十九届卓越结构大奖研发类提名奖。项目研究成果在大跨度斜拉桥拉索减振控制上得到了实际应用。 2100433B

斜拉索是斜拉桥的主要受力构件，其在风荷载或风雨荷载与支座激励的作用下极易发生大幅振动，从而缩短其疲劳寿命并加速其锈蚀，因而需采取措施来控制其过大振动。目前不少斜拉索减振采用半主动控制的方式，但半主动控制对外部能源的依赖却限制了其在实桥中的推广应用。本项目拟研究利用新型电磁阻尼器实现斜拉索自供能半主动控制中的关键问题。通过电磁阻尼器回收斜拉索的振动能量给其控制电路供电，控制电路通过阻尼器输出电压反馈进行在线计算，以实时调节阻尼系数从而达到半主动控制的目标。本项目拟建立电磁阻尼与能量收集效率的理论模型；提出考虑随机荷载作用下斜拉索电磁阻尼器输出功率的理论估算公式；推导考虑惯性质量的斜拉索阻尼器最优阻尼值；提出基于电磁阻尼器电压输出信号的半主动控制算法；最后通过斜拉索缩尺模型实验和实桥试验进一步验证方法的正确性。本项目研究成果可为实现斜拉索高效率减振与自供能半主动控制提供理论基础。

铅板引言

目前，研究和应用隔离、耗能减震技术越来越广泛。随着社会的不断发展，新设备的研发和应用越来越多，铅金属阻尼器逐渐发挥了其在关键领域的地位。利用地震时铅发生弹塑性屈服导致变形而消耗地震能量，从而达到减震、隔震的目的。铅阻尼器是一种耗能性能优越、构造简单、制作方便、十分经济的耗能减震装置。它既可以用作隔震系统中的耗能元件或限位装置，又可以用作建筑结构中的耗能装置，提供阻尼； 既可用于结构的风控制中，又可用于结构的抗震控制中。因此，具有较大的应用价值和广泛的应用前景。

目前，已经研发了多种类型的铅阻尼器：铅挤压阻尼器、铅剪切阻尼器、铅节点阻尼器、圆柱型铅阻尼器和异型铅阻尼器。

铅板铅剪切阻尼器

铅剪切阻尼器是由新西兰Penguin Engineering公司首先研制的，基本原理主要为利用铅受剪屈服后产生塑性变形来耗能，在小位移时，铅受到剪切和弯曲作用，进入屈服阶段，通过滞回变形消耗能量； 在大位移时，重点利用剪切滞回变形消耗能量。此种耗能器的主要特点是对微小变形十分敏感，在± 2μm的变形下即可获得较大的阻尼力。其次，由于铅本身具有动态再结晶功能，因此，在其设计变形的范围内，可以在不同的变形下做几千次的循环而不出现退化现象，能够保持其本身的力学性能不变，工作性能非常稳定。铅剪切阻尼器可以提供的阻尼力大小和变形速度无关，近似于理想的塑性体。其后，国内许多学者也在铅剪切阻尼器的研发方面做了很多工作，王焕定等人对铅剪切阻尼器进行了不同频率不同位移峰值的三角形波的逐级加载试验。实验结果表明： 铅剪切阻尼器弹性刚度很大，屈服位移很小，屈服后，随位移增加刚度明显降低，体现了明显的塑性性质。

如图1：新型铅阻尼器图所示，为闫维明、彭凌云等研制的一种铅剪切型阻尼器。不同加载位移、加载频率和加载次数下的性能试验研究表明，此种阻尼器滞回环较为丰满，是一种良好的阻尼器，这种阻尼器的滞回性能稳定，耗能效果好，装置较小，出力较大，能够满足装置耗能的要求，且制作简单，无需养护。

相同位移峰值不同的频率的滞回曲线是基本一致的，可以得出铅剪切阻尼器在低频位移相关型的阻尼器的耗能性能与加载的频率无关，且阻尼器是拉压同性的，滞回曲线沿加载的原点对称； 小位移的情况下，滞回曲线基本呈四边形。随着位移的增大，出现刚度增加，剪切作用趋于稳定，滞回曲线又逐渐趋于四边形，且较大位移的滞回曲线基本包容小位移的滞回曲线。

铅板铅板阻尼器

本文提出的铅板阻尼器，当其铅板在一定长度范围之内属于剪切型阻尼器，本阻尼器主要是由钢板、实心钢柱与铅组成，采用等级为Q345的钢板与钢柱，钢板壁厚为20mm，钢柱为直径40mm的实心钢柱，50mm厚的高纯度铅板。试件制作简单方便，具体尺寸模型如图2：铅板阻尼器具体尺寸模型图所示。

铅阻尼器属于位移相关型阻尼器，耗能性能与速度无关。铅板阻尼器构造简单，无需维护，制作简单方便，并且可以提供稳定的阻尼力。然而，无论从铅板阻尼器的研究角度，还是从其以后在工程应用的角度来看，还存在一些需要解决的问题：

（1） 铅板阻尼器的各项参数对其滞回性能影响较大，需要对不同参数的阻尼器对滞回性能的影响做深入的研究；

（2） 铅板阻尼器的加工工艺（ 如铅板制作精细程度，铅本色的纯度控制） 尚有待于进一步的研究。随着铅板阻尼器的进一步研究成熟，必将可以应用于实际工程中。

现有陀螺仪存在单一性能较好，但综合性能不高的问题，而基于电磁感应原理的磁流体陀螺仪兼具高精度、宽频带、小型化等优异性能，并且对加工工艺要求相对较低。因此磁流体陀螺仪在卫星姿态测量等相关领域有着显著的优势，对该陀螺仪的研究具有重大战略意义。本项目基于磁流体动力学理论，研究基于电磁感应原理的磁流体陀螺仪传感数学模型，探索制约磁流体陀螺仪性能的因素，并在此基础上进一步探索优化其性能的方案，主要包括三个基础问题的研究：如何改善磁流体陀螺仪低频特性，扩展测量范围至1Hz以下；如何实现磁流体径向流速分布的可控性，从而实现磁流体陀螺仪的线性化；如何检测磁流体陀螺仪的微弱输出信号，避免后续处理电路对精度和频带的影响。本项目的研究成果将为高性能的磁流体陀螺仪的研制提供理论和技术基础。

振动阻尼器是将固体的机械振动能转变为热能的装置。当振动系统本身的阻尼或某些隔振措施的内阻尼，不足以抑制系统在固有频率附近的振动响应时，常常需要外置型的振动阻尼器。它主要包括减振器、摩擦阻尼器、磁阻尼器与空气阻尼器等几种类型。阻尼器的缺点是在振动频率大于